CN101225338B - 采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置，该装置是，在反应器上连接有进气管路、进水管路以及排料管路；在进气管路、进水管路上均设有压缩装置；进气管路上设有喷口，进水管路上设有喷嘴；喷口、喷嘴均置于反应器内，喷口设于反应器的内壁并朝向反应器的周向方向，喷嘴设于反应器的上部轴心位置；在反应器的轴心位置设有内冷却器，在反应器的上方设有排气口。该装置不仅能快速移除水合热，而且能改变反应器内气液固的流场，实现气液固三相界面快速更新。

Description

采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置 

技术领域

本发明涉及天然气水合物，尤其涉及一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置。 

背景技术

现有天然气水合物储运技术是近几年国外研究发展的一项新技术，单位体积的水合物可以安全地储存150～200倍体积的天然气；由于水合物具有“自保护效应”，所以天然气水合物在常压下大规模储存和运输不必冷却到相平衡温度以下，而是将水合物冷冻到水的冰点以下(-15～+5℃)保温良好，水合物就可以保持稳定而几乎没有天然气泄漏；另外天然气水合物非常安全，即使明火点燃，也燃烧缓慢；同管道天然气运输或者液化天然气储运相比，特别是在天然气气田储量不是太大，比较分散或者海上气田的情况下，天然气水合物储运的成本和运行耗费更低；由此可见，天然气水合物具有存储空间小存储量大、储气条件相对温和、安全高效和经济等优点，这些优点使气体水合物技术在天然气储运领域具有广阔的发展前景，但就当前的研究现状来看，天然气水合物生产和储运工艺仍未成熟，仍未实现工业化生产气体水合物，这主要有两个方面的原因：其一是由于水合物薄膜的铠甲效应，阻碍了传质过程的继续进行；其二是水合物的生成是放热反应，水合热高达540KJ/Kg，这部分热量如不及时移除或者抵消，水合反应的温度条件即会打破，生成反应就会因而停止。所以要提高水合物的生成效率，必须能够有效地解决水合物生成中气液固三相界面的快速更新和水合反 应热的快速移除两大问题，此外为了早日实现其工业化应用，制造水合物的成本必须尽可能的低。 

基于以往生产工艺的不足，人们提出了一些水合物生产的改进方法和生成装置，一般是把搅拌、喷淋和鼓泡三种基本方法中的两种或者三种结合在一起来加强质量和热量的传递，提高天然气水合物的生成速率，但是效果仍不理想。后来陆续有一些新型的水合物生产方法被提出，例如日本专利文献JP2005232301A中公开了这样一种管式水合反应器，气液两相在管内充分混合反应，管外喷淋冷却介质移除水合热；日本专利文献JP2006111773A中公开了一种管式水合反应器，管内增设了螺旋叶片转动以移出水合物；这种方法提高了气液接触面积，水合反应的速率也有所提高，但是水合热的移除速率仍然较低；例如日本专利文献JP2006111786A公开了一种射流式水合物生产工艺和设备，液体经高压泵由射流器喷射，同时吸入天然气，混合后喷射进入反应器中；为了增加传质速率，日本专利2005263825A则进一步在射流反应器中加装了一个搅拌装置；再例如，在日本专利文献JP2005247919A中，公开了一种流化床水合反应器；在美国专利文献US6350928中，则进一步在流化床水合反应器内设置了列管冷却器以提高其移除水合热的能力；流化床反应器内气体高速向上流动，使水合物晶粒流态化，气液接触面积和更新速率较大，水合反应剧烈，但是水合热基本是依靠过量的气体带走，水合物的取出也比较困难，难以实现工业化生产。现有的生产水合物的方法及装置不一而足，但仍无法有效地解决水合物生成中气液固三相界面的快速更新和水合反应热的快速移除两大问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置，该方法及装置可使水合物生成中气液固三相界面快速更新，并可将水合反应热快速移除。 

本发明所述方法包括如下步骤： 

a0、下述液体可以是低温水、低温水和冰粒形成的冰水混合物； 

a、将液体冷却加压，把来自井口的天然气冷却增压使其压力达到6至9兆帕； 

b、高压冷却液体从反应器的上部轴心位置喷入反应器，与此同时，高压冷却天然气沿反应器周向方向，紧贴反应器的内壁喷入反应器； 

c、冷却的天然气在反应器壁形成高速回旋气流，在下降过程中与高压冷却液体剧烈混合，回旋气流及水合物颗粒达到反应器底后再从反应器的轴心位置回旋上升，回旋上升气流夹带的水合物与反应器轴心位置的内冷却器碰撞并进行换热； 

d、反应中形成的水合物颗粒逐渐长大，在离心力作用沿反应器的内壁下滑，再经排料管路排出；回旋气流上升过程中，再次与喷嘴所喷出的高压冷却液体混合，速度降低后从排气口排出。 

由于反应物料之一的液体可以是冰水混合物，并且冰的液化热高达335KJ/Kg，所以大部分的水合反应热促使冰粒融化成水，而水又成为水合物的笼形骨架；内置于反应器的换热器能够移走部分的水合反应热；由于冰粒直径仅有800到1000微米，加上气液固颗粒的碰撞和破碎，导致其表面积相当大，所以水合反应热的移走速度很快。 

本发明所述装置是： 

一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法和装置，采用静态超重力工艺快速生产水合物，其核心装置是静态超重力反应器，在反应器上连接有进气管路、进水管路以及排 料管路；在进气管路、进水管路上均设有压缩装置；进气管路上设有喷口，进水管路上设有喷嘴；喷口、喷嘴均置于反应器内，喷口设于反应器的内壁并朝向反应器的周向方向，喷嘴设于反应器的上部轴心位置；在反应器的轴心位置设有内冷却器，在反应器的上方设有排气口。 

本装置的进一步结构是： 

所述进气管路上设有缓冲罐，所述排气口与该缓冲罐连通。排气口所排出的天然气进入缓冲罐回收。 

所述进气管路上的压缩装置为设于所述缓冲罐与喷口之间的压缩机，在所述缓冲罐与喷口之间还设有冷却器。压缩机用于对天然气进行加压，冷却器用于对天然气进行冷却，避免天然气因压缩而产生升温现象。 

所述排料管路与所述反应器下方的排料口连通，所述排料管路上还设有分离器，该分离器上设有出水口及出料口；所述进水管路上还设有储罐，该储罐与所述出水口连通，在该储罐上设有进水口。反应完成之后，水以及水合物的混合物通过排料口排出，再经分离器将固态的水合物与液态的水进行分离，分离之后的水合物经出料口排出，水经出水口流入到储罐中进行再次回收利用。 

所述进水管路上的所述压缩装置为设于所述储罐与所述喷嘴之间的高压泵，在所述储罐上设有储罐冷却器。储罐冷却器对储罐内的冰水混合物进行冷却，该储罐冷却器可设于储罐内，也可以设于储罐外壁。 

在所述反应器的内壁、所述进水管路的内壁、所述内冷却器的外壁至少其中之一上设有纳米镀层。天然气水合物为极性物质，反应器、内冷却器、各连接管路经过纳米镀层改性处 理后为非极性表面，可有效地避免水合物与管壁的粘接。 

在反应器的外壁设有外冷却器，用于吸收反应器外壁的热量，避免外界热量进入反应器内。 

反应器的尽量采用圆柱形结构，当然也可采用近似圆形的结构(如椭圆柱形)。 

为了获得较低的温度，各换热器、内冷却器、外冷却器、冷却器中所使用的冷却剂可以是乙二醇水溶液、过冷盐水、液氮、酒精水溶液等。 

附图说明

图1为本发明所述装置的结构图； 

图2为反应器与内冷却器、外冷却器、喷口、喷嘴与反应器的连接结构图； 

图3是图2中，反应器(带喷口、喷嘴)的俯视图； 

附图标记说明： 

1、反应器，2、进气管路，3、进水管路，5、压缩装置，6、喷口，7、喷嘴，8、内冷却器，9、排气口，10、缓冲罐，11、进气口，12、冷却器，13、分离器，14、出水口，15、出料口，16、储罐，17、进水口，18、储罐冷却器，19、外冷却器。 

具体实施方式

如图1、图2所示，一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，在圆柱形反应器1上连接有进气管路2、进水管路3以及排料管路；在进气管路2、进水管路3上均设有压缩装置5；进气管路2上设有喷口6，进水管路3上设有喷嘴7；喷口6、喷嘴7均置于反应 器1内，喷口6设于反应器1的内壁并朝向反应器的周向方向，喷嘴7设于反应器1的上部轴心位置；在反应器1的轴心位置设有内冷却器8(内冷却器8可采用换热盘管)，在反应器1的上方设有排气口9。 

其中，进气管路2上设有缓冲罐10，排气口9与该缓冲罐10连通，在缓冲罐10与喷口6之间设有压缩装置5(即压缩机)、冷却器12及进气口11；排料管路与反应器1下方的排料口连通，排料管路上还设有分离器13，该分离器13上设有出水口14及出料口15；进水管路3上还设有储罐16，该储罐16与出水口14连通，在该储罐16上设有进水口17，在储罐16与喷嘴之间也设有压缩装置5(即冰水高压泵)，在储罐16上设有储罐冷却器18，在反应器1的外壁设有外冷却器19；在反应器1的内壁、进水管路3的内壁、反应器内冷却器8的外壁上均设有纳米镀层。 

本发明所述方法包括如下步骤： 

a00、用来天然气吹扫工艺管线和装置； 

a0、将水与冰粒混合形成冰水混合物，其中冰粒占冰浆总体积的20％至50％； 

a、将冰水混合物冷却加压，将天然气冷却加压使其压力达到6至9兆帕； 

b、高压冷却的冰水混合物从反应器1的上部轴心位置喷入反应器1，与此同时，高压冷却的天然气沿反应器1周向方向，紧贴反应器1的内壁喷入反应器1； 

c、冷却的天然气在罐壁形成高速回旋气流，该高速回转气流所形成的离心力场的加速度是重力加速度的100至2500倍，回旋气流与冰水混合物在这个超重力场中剧烈混合，冰水混合物在巨大的剪切力和撞击力作用下，不断地被拉伸、减薄、破碎和分散，回旋气流夹带着冰粒及水合物颗粒达到反应器1底部后形成回旋气芯，再从反应器1的轴心位置回旋上升， 回旋上升气流夹带的水合物及冰粒与反应器轴心位置的内冷却器8碰撞并进行换热； 

d、反应中形成的水合物逐渐长大，在离心力及重力作用下沿反应器1的内壁下滑，再经排料管路排出；回旋气流上升过程中，不断地与内冷却器8壁碰撞而减速；并且再次与喷嘴7所喷出的高压冷却液体高速撞击混合，速度降低后从排气口9排出。 

由于反应物料是冰水混合物，并且冰的液化热高达335KJ/Kg，所以大部分的水合反应热促使冰粒融化成水，而水又成为水合物的笼形骨架；内置于反应器的换热器能够移走部分的水合反应热；由于冰粒直径仅有800到1000微米，加上气液固颗粒的碰撞和破碎，导致其表面积相当大，所以水合反应热的移走速度很快。 

Claims (9)

1.一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法，其特征在于，该方法至少包括如下步骤：

a0、下述液体可以是低温水、低温水和冰粒形成的冰水混合物；

a、将液体冷却加压，把来自井口的天然气冷却增压使其压力达到6至9兆帕；

b、高压冷却液体从反应器的上部轴心位置喷入反应器，与此同时，高压冷却天然气沿反应器周向方向，紧贴反应器的内壁喷入反应器；

c、冷却的天然气在反应器壁形成高速回旋气流，在下降过程中与高压冷却液体剧烈混合，回旋气流及水合物颗粒达到反应器底后再从反应器的轴心位置回旋上升，回旋上升气流夹带的水合物与反应器轴心位置的内冷却器碰撞并进行换热；

d、反应中形成的水合物颗粒逐渐长大，在离心力作用沿反应器的内壁下滑，再经排料管路排出；回旋气流上升过程中，再次与喷嘴所喷出的高压冷却液体混合，速度降低后从排气口排出。

2.一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，在反应器上连接有进气管路、进水管路以及排料管路；其特征在于，在进气管路、进水管路上均设有压缩装置；进气管路上设有喷口，进水管路上设有喷嘴；喷口、喷嘴均置于反应器内，喷口设于反应器的内壁并朝向反应器的周向方向，喷嘴设于反应器的上部轴心位置；在反应器的轴心位置设有内冷却器，在反应器的上方设有排气口。

3.如权利要求2所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，所述进气管路上设有缓冲罐，所述排气口与该缓冲罐连通。

4.如权利要求3所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，所述进气 管路上的压缩装置为设于所述缓冲罐与喷口之间的压缩机，在所述缓冲罐与喷口之间还设有冷却器。

5.如权利要求2所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，所述排料管路与所述反应器下方的排料口连通，所述排料管路上还设有分离器，该分离器上设有出水口及出料口。

6.如权利要求5所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，所述进水管路上还设有储罐，该储罐与所述出水口连通，在该储罐上设有进水口。

7.如权利要求6所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，所述进水管路上的所述压缩装置为设于所述储罐与所述喷嘴之间的高压泵，在所述储罐上设有储罐冷却器。

8.如权利要求2至7中任一项所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，在所述反应器的外壁设有外冷却器。

9.如权利要求2至7中任一项所述采用静态超重力快速制备天然气水合物的装置，其特征在于，在所述反应器的内壁、所述进水管路的内壁、所述内冷却器的外壁至少其中之一上设有纳米镀层。 

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